The Current Status of Water Treatment Systems
The Current Status of Water Treatment Systems
Abstract
The work gives an overview of methods and technologies of water treatment for heat-generating plants. Pre-treatment or pre-boiler treatment and in-boiler treatment are distinguished. Methods of water pre-treatment include sedimentation, membrane treatment (micro-, ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis), coagulation, reagent softening (lime treatment, soda-lime treatment) and ion exchange (sodium cationization, hydrogen cationization, etc.). All these methods are used to reduce water hardness and remove various contaminants from the water. In-boiler treatment methods include blowdown, which is necessary to maintain a certain concentration of salts, and deaeration, which is used to remove corrosive substances. The use of certain water treatment technologies depends on the composition of raw water and the equipment used. Pre-treatment together with in-boiler water treatment contributes to maintaining optimum operation of heat generating plants as well as creating good water quality, which increases the service life of the plants.
1. Введение
На сегодняшний день вода – это основной природный ресурс, жизненно важный как для растений и животных, так и для человека и его деятельности. Вода используется в работе большинства отраслей промышленности: это и теплоэнергетика, и машиностроение, и металлургия, а также многие другие немаловажные отрасли .
В последнее время все больше и больше увеличиваются потребности в воде для отраслей энергетики и теплотехники. Но в то же время недопустимо прямое использование воды в теплогенерирующих установках, представляющих собой технические устройства и оборудование, необходимых для генерации тепловой энергии в виде горячей воды или пара. Это связано с тем, что природная вода характеризуется наличием большого количества примесей минерального и органического происхождения, от которых она должна быть очищенной. В связи с чем для теплогенерирующих установок необходима предварительная специальная водоподготовка, являющаяся эффективным способом не только увеличения производительности системы, но и продления срока службы оборудования .
Целью данной работы является обзор методов и технологий водоподготовки для теплогенерирующих установок.
Методы водоподготовки теплогенерирующих установок подразделяют на два типа: докотловая или предварительная обработка и внутрикотловая обработка, применяемая для предотвращения накипеобразования и коррозии .
2. Методы докотловой обработки воды
К методам предварительной обработки воды относят отстаивание, мембранную очистку, коагуляцию, реагентное умягчение и ионный обмен.
Отстаивание природной воды проводят в специальных отстойниках, представляющих собой резервуары, в которых из воды удаляются механические примеси .
Далее для очищения воды используют мембранные технологии, разновидности и характеристики которых приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Виды и характеристики мембранной очистки воды
Технология | Диаметр пор мембраны, мкм | Размер задерживаемых частиц, мкм | Рабочее давление, МПа | Производительность, кг/м2·ч |
Микрофильтрация | 10-0,05 | 0,02-10 | 0,01-0,1 | 100 |
Ультрафильтрация | 0,01-0,02 | 0,001-0,02 | 0,2-1 | 10-50 |
Нанофильтрация | 0,001-0,01 | 0,001-0,01 | 6-8 | 10-50 |
Обратный осмос | 0,001-0,0001 | 0,0001-0,001 | - | 0,5-100 |
Микрофильтрация используется не только при удалении органических молекул, имеющих молекулярную массу более 10 кДа, но и при очистке от механических примесей воды.
С помощью метода ультрафильтрации из воды удаляют органические молекулы, обладающих молекулярной массой равной 0,2-0,3 кДа.
Ультрафильтрационные и микрофильтрационные установки занимают меньшую площадь в сравнении с обычными фильтрационными системами. Кроме того, у данных установок ниже эксплуатационные расходы.
Нанофильтрацию применяют для очищения воды от органических молекул, имеющих молекулярную массу более 0,3 кДа. Данный метод используется для снижения возникновения накипи, ухудшающей эффективность работы системы.
Обратный осмос применяют при устранении из воды органических молекул, имеющих молекулярный вес более 0,1 кДа. В целом обратноосмотические мембраны задерживают порядка 99 % растворенных в воде веществ. При этом удаляются ионы натрия (Na+), кальция (Са2+), железа (Fe2+, Fe3+), алюминия (Al3+), хлора (Cl-). В результате получают умягченную воду, способствующей стабильной работе теплогенерирующих установок.
В результате на водоподготопительных установках в настоящее время преимущественно используют метод обратного осмоса , .
Коагуляция – это процесс укрупнения коллоидных частиц и выделение их в осадок (шлама) при добавке к воде специальных веществ-коагулянтов, например, Al2(SO4)3 и FeSO4 · 7H2O .
Среди способов реагентного умягчения воды выделяют известкование и содоизвесткование. Суть этих методов заключается в том, что накипеобразующие катионы в результате химического взаимодействия с известью (CaO) или содой (NaHCO3) образуют новые соединения, которые устраняют с помощью отстаивания или фильтрации .
В настоящее время главным способом удаления солей жесткости из воды для теплогенерирующих систем служит ионный обмен. Сущность ионного обмена заключается в способности особых веществ, называемых ионитами, вступать в ионный обмен с растворимыми в воде солями жесткости, при этом происходит сорбция из воды ионов этих солей и отдача в воду равного количества других ионов. Среди методов ионного обмена особенно популярными считаются натрий-катионирование, водород-катионирование, натрий-водород-катионирование .
Натрий-катионирование основано на замещении ионов кальция (Ca2+) и магния (Mg2+) на ионы натрия (Na+) из ионообменных материалов. Данный метод может осуществляться как в одну, так и в две ступени.
Технология натрий-катионирования в одну ступень: вода проходит через слой катионита, умягчается и направляется в накопительный бак, из этого бака она подается в необходимое место.
Технология натрий-катионирования в две ступени: соли жесткости задерживаются на фильтрах первой ступени, при этом на второй ступени происходит снижение остаточной жесткости .
Водород-катионирование основано на том, что все катионы в воде заменяются катионами водорода, а присутствующие в растворе сульфаты, хлориды и нитраты кальция, натрия и других катионов преобразуются в свободные минеральные кислоты (серную, соляную, азотную, кремниевую). При использовании данной технологии снижается карбонатная щелочность воды без образования кислотного фильтрата. Водород-катионирование используют с натрий-катионированием, благодаря чему происходит нейтрализация кислотности и снижение щелочности воды .
Водород-натрий-катионирование основано в смешивании двух потоков воды: кислой и щелочной. Благодаря использованию этого метода можно получить умягченную воду с заданной величиной щелочности. Данная технология может осуществляться по схемам параллельного, последовательного и совместного катионирования .
Различные схемы водоочистки методом ионного обмена представлены на рисунке 1 , .
Рисунок 1 - Схемы водоочистки методом ионного обмена:
а – двухступенчатое натрий-катионирование; б – параллельное водород-натрий-катионирование; в – последовательное водород-натрий-катионирование; г – частичное обессоливание; д – глубокое обессоливание; е – полное обессоливание; Na – натрий-катионитный фильтр; H – водород-катионитный фильтр; А – анионитный фильтр; Д – декаробонизатор; ПБ – промежуточный бак; НС – насос; ФСД – фильтр смешанного действия
3. Методы внутрикотловой обработки воды
К методам внутрикотловой обработки воды относят продувку и деаэрацию. Эти способы используются для стабилизации минерального состава воды .
Продувка основывается на устранении из барабана системы воды, обладающей высокой степенью солесодержания, и замещением ее водой, обладающей низким солесодержанием. Схема продувки показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема продувки:
1 – труба для отвода продувочной воды; 2 – верхний барабан; 3 – труба для подвода питательной воды; 4 – опускная труба; 5 – нижний барабан; 6 – подъемные трубы; 7 – труба отвода шлама
В целом продувку используют при устранении шлама, накапливающегося в нижних коллекторах и барабанах установки , .
Деаэрация воды применяется для удаления из воды веществ, приводящих к коррозии (О2, СО2).
Выделяют три вида аэрации:
- Химическая: добавление в воду сульфита натрия для удаления кислорода;
- Каталитическая: удаление из воды коррозионных веществ при помощи водорода;
- Термическая: главный способ удаления коррозионных веществ из воды, основанный на применении закона растворимости газов в жидкости.
Для устранения веществ из воды в теплогенерирующих установках используют термические деаэраторы .
Схема деаэраторной установки показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема деаэраторной установки:
1 – охладитель; 2 – колонка деаэратора; 3 – бак; 4 – гидрозатвор; 5 – уровень воды
Помимо классических видов деаэрации существуют и другие: ультразвуковая (воздействие на воду ультразвуком, способствующим связыванию частиц газов и выталкиванию их наружу) и мембранная с применением азота (наличие в баке мембраны, на которую подается вода и азот, связывающийся с частицами газа в воде и выделяющий их наружу). Однако по степени сочетания качества работы и финансовых затрат востребованным способом подготовки воды для теплогенерирующих установок является термическая деаэрация .
Таким образом, методы внутрикотловой обработки воды являются эффективным способом защиты оборудования от образования накипи и коррозии.
4. Заключение
На сегодняшний день существует множество методов водоподготовки для теплогенерирующих установок. Выбор того или иного метода существенно зависит от состава исходных вод, а также применяемого оборудования. Предварительная водоподготовка наряду с внутрикотловой обработкой воды позволяет поддерживать оптимальный режим работы теплогенерирующих установок, а также минимизировать затраты на обслуживание и ремонт оборудования.
При своевременной и правильной водоподготовке исключаются образование отходов, сточных вод, а также загрязнение водоемов, кроме того, повышается экологическая безопасность предприятий теплоэнергетики.
Рисунок 4 - Логотип нацпроекта «Наука и Университеты»